Нитрид титана

Нитри́д тита́на — бинарное химическое соединение титана с азотом.

Нитрид титана
Общие
Систематическое наименование	мононитрид титана
Традиционные названия	нитрид титана
Хим. формула	TiN
Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	61,874 г/моль
Плотность	5,44 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	2930 °C
Мол. теплоёмк.	37,12 Дж/(моль·К)
Теплопроводность	41,8 Вт/(м·K)
Энтальпия
• образования	-338,1 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS	25583-20-4
PubChem	93091
Рег. номер EINECS	247-117-5
SMILES	N#[Ti]
InChI	InChI=1S/N.Ti NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N
ChemSpider	84040
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, которая составляет от 14,8 до 22,6 % азота (по массе), что можно обозначить брутто-формулами от Ti₁₀N₆ до TiN соответственно^[1].

Физические свойства

Нитрид титана представляет собой материал жёлто-коричневого цвета, а в компактном состоянии приобретает золотистую окраску.

Имеет кубическую гранецентрированную решётку типа NaCl, пространственная группа Fm3m, с периодом а = 0,4235 нм.

• Удельное электрическое сопротивление 40 мкОм∙см.
• Коэффициент линейного теплового расширения 9,35∙10⁻⁶ 1/K (25-1100 °C)
• Микротвердость 2050 кгc/мм² .
• Модуль упругости 25600 кг/мм^2[2].

Получение

Нитрид титана можно получить одним из следующих способов^[1][3].

• Непосредственным насыщением титана азотом:

Процесс азотирования проводят обычно при температуре выше 1100 °C в среде азота или диссоциированного аммиака. Для этой цели используют титан в виде порошка или стружки. Чистый порошок титана может быть заменён гидридом титана;

• Взаимодействием тетрахлорида титана со смесью азота и водорода:

В основе этого способа лежит реакция:

${\displaystyle {\ce {2TiCl4 + 2NH3 -> 2TiN + 6HCl + Cl2}}}$

которую проводят при температуре выше 1000 °C. Также образующийся нитрид титана можно осадить на вольфрамовую нить, нагретую до температуры 1400—2000 °C;

• Разложением аминохлоридов титана:

${\displaystyle {\ce {TiCl4.4NH3 -> TiN + HCl + NH3}}}$

Аминохлорид титана разлагается с образованием промежуточного продукта TiNCl, нагрев которого до температуры 1000 °C приводит к образованию свободного от хлора нитрида титана;

• Восстановлением оксида титана углеродом в среде азота:

В основе процесса лежит реакция:

${\displaystyle {\ce {2TiO2 + 4C + N2 -> 2TiN + 4CO}}}$

С увеличение температуры процесса восстановления с 1000 °C до 1700 °C выход нитрида титана увеличивается, но при этом в продуктах реакции наблюдается появление карбида титана. Этот способ весьма пригоден для получения технически чистого нитрида титана в больших количествах, используемого для изготовления огнеупоров;

• Синтезом в плазме:

Как исходный продукт для получения нитрида титана может быть использован TiCl₄ или порошок титана, который подают в струю плазмы генерируемую СВЧ-плазмотроном. Плазмообразующим газом является азот. Порошки полученные этим способом могут иметь размеры от 10 нм до 100 нм^[4];

• Самораспространяющимся высокотемпературным синтезом:

Суть способа заключается в химической реакции титана с азотом, которая происходит с выделением тепла. Процесс ведут в герметическом реакторе, в котором процесс самопроизвольного горения инициируют нагревом контейнера, заполненного азотом и порошком титана^[5].

Химические свойства

Нитрид титана устойчив к окислению на воздухе до 700—800 °C, при этих же температурах сгорает в токе кислорода:

${\displaystyle {\ce {2TiN + 2O2 -> 2TiO2 + N2}}}$.

При нагреве до 1200 °C в среде водорода или в смеси азота и водорода нитрид титана инертен.

Нитрид титана стехиометрического состава проявляет стойкость к CO, но медленно реагирует с CO₂ по реакции:

${\displaystyle {\ce {2TiN + 4CO2 -> 2TiO2 + 4CO + N2}}}$.

Реагирует на холоде с фтором:

${\displaystyle {\ce {2TiN + 4F2 -> 2TiF4 + N2}}}$.

Хлор не взаимодействует с нитридом титана до 270 °C, но реагирует с ним при температурах свыше 300—400 °C:

${\displaystyle {\ce {2TiN + 4Cl2 -> 2TiCl4 + N2}}}$.

При температуре 1300 °C хлороводород взаимодействует с ${\displaystyle {\ce {TiN}}}$ с образованием газообразных хлоридов титана и азота с водородом.

Взаимодействует с дицианом образуя карбонитрид титана^[3]:

${\displaystyle {\ce {10TiN + (CN)2 -> 2Ti5N4C + 2N2}}}$.

При комнатной температуре, по отношению к серной, соляной, фосфорной, хлорной кислотам, а также к смесям хлорной и соляной, щавелевой и серной кислот, нитрид титана является стойким соединением. Кипящие кислоты (соляная, серная и хлорная) слабо взаимодействуют с ${\displaystyle {\ce {TiN}}}$. На холоде малоустойчив против растворов гидроксида натрия. Взаимодействует с азотной кислотой, а в присутствии сильных окислителей растворяется плавиковой кислотой.

Нитрид титана является стойким к действию расплавов олова, висмута, свинца, кадмия и цинка. При высокой температуре разрушается оксидами железа (Fe₂O₃), марганца (MnO), кремния (SiO₂) и стеклом^[1].

Применение

Купол Соборного храма во имя Богоявления Господня Ниловой пустыни, покрытый металлическими листами с нанесённым нитридом титана

Применяется как жаропрочный материал, в частности, из него делают тигли для плавки металлов в бескислородной атмосфере.

В металлургии это соединение встречается в виде относительно крупных (единицы и десятки микрон) неметаллических включений в сталях, легированных титаном. Такие включения имеют на шлифах, как правило, форму квадратов и прямоугольников, их легко идентифицировать методом металлографического анализа. Такие крупные частицы нитрида титана, образующиеся из расплава, приводят к ухудшению качества литого металла.

Нитрид титана используется для создания износостойких покрытий металлорежущего инструмента.

Используется в микроэлектронике в качестве диффузионного барьера совместно с медной металлизацией и др.

Также нитрид титана применяется в качестве износостойкого и декоративного покрытия. Изделия, покрытые им, по внешнему виду похожи на золото и могут иметь различные оттенки, в зависимости от соотношения металла и азота в соединении. Нанесение покрытия из нитрида титана производится в специальных камерах термодиффузионным методом. При высокой температуре титан и азот реагируют вблизи поверхности покрываемого изделия и диффундируют в саму структуру металла.

Соединение не используется для покрытия электрических контактов.

Напыление из нитрида титана используют для покрытия зубных коронок, имитирующих золотые, и зубных мостов^[6].

См. также

• Метод КИБ
• PVD-процесс

Примечания

1. Самсонов Г. В. Нитриды. — Наукова думка, 1969. — С. 133—158. — 380 с.
2. Самсонов Г. В., Виницкий И. М. Тугоплавкие соединения (справочник). — Металлургия, 1976. — С. 560.
3. Лучинский Г. П. Химия титана. — Химия, 1971. — С. 168—170. — 472 с.
4. Краснокутский Ю. И., Верещак В. Г. Получение тугоплавких соединений в плазме. — Вища шк., 1987. — С. 134—139. — 200 с.
5. Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии. — Выща шк., 1985. — С. 169—170. — 415 с.
6. Все о зубных протезах  (неопр.). Дата обращения: 3 февраля 2022. Архивировано 23 января 2022 года.

Литература

• Неорганическая химия / под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: Академия, 2007. — Т. 3. — 352 с.